Fractional order control in haptics

Haptikte kesir dereceli denetim

PDF İndir

Tez No: 418658
Yazar: OZAN TOKATLI
Danışmanlar: DOÇ. DR. VOLKAN PATOĞLU
Tez Türü: Doktora
Konular: Mekatronik Mühendisliği, Mechatronics Engineering
Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
Yıl: 2015
Dil: İngilizce
Üniversite: Sabancı Üniversitesi
Enstitü: Mühendislik ve Fen Bilimleri Enstitüsü
Ana Bilim Dalı: Mekatronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Bilim Dalı: Belirtilmemiş.
Sayfa Sayısı: 67

Özet

Geleneksel kalkülüsün bir genelleştirmesi olan kesir dereceli kalkülüs, matematiksel modelleminin sınırlarını genişleten önemli bir araçtır. Bu çarpıcı matematiksel aracın etkinliği birçok uygulamada gözlemlenmiştir. Örneğin, viskoelastik malzemelerin başarılı bir şekilde modellenmesi, özellikle de frakansa dayalı esneklik ve sönümlemenin tek bir mekanik eleman olarak temsil edilebilmesi, kesir dereceli kalkülüs ile mümkün olmuştur. Bu doktora tezinde, kesir dereceli denetleyicilerin haptik sistemlerde kullanılmasını öneriyor ve bu denetleyicilerin kullanımıyla ilgili olarak gerekli analizleri, haptik sistemlerde görülen, kararlılık gürbüzlüğü-şeffaflık ödünleşimi açısından ele alıyoruz. Kesir dereceli denetleyiciler, var olan denetleyici modellerining genelleştirmesini sunarken, sistemin frekans cevabını daha iyi gürbüzlük ve başarım elde edecek şekilde değiştirme açısından da ümit verici sonuçlar vermektedir. Özellikle, kesir dereceli denetleyicilerin kullanımıyla birlikte, kullanıcı fazladan bir tasarım değişkenine (türevin derecesi) sahip olmaktadır ve bu değişkeni toplam sistemin davranışını ayarlamak kullanabilmektedir. Bu doktora tezinde, genelleştirilmiş, kesir dereceli, boyutsuz ve örneklenmiş dizge modelini haptik sistemler için öneriyoruz ve bu yapının frekansa dayalı davranışını inceliyoruz. Bu incelemelerde öncelikle sistemin kararlılık analizi yapılmaktadır. Kararlılık analizinde haptik sistemi kullanan insanın olduğu ve olmadığı durumlar ele alınmıştır. Ayrıca, kararlılık analizi, farklı türev dereceleri için deneysel olarak da doğrulanmıştır ve deney sonuçları, kağıt üzerinde yapılan analizin genel yapısı ile niteliksel olarak uyumludur. Haptik sistemin pasiflik analizi iki durum için yapılmıştır. İlk durumda sanal çevre modeli de haptik sistemin pasiflik analizine dahil edilmiştir. Öte yandan, ikinci durumda ise pasif olduğu bilgisi dışında başka bir bilgi bulunmayan sanal çevreler için haptik sistemin pasiflik analizi yapılmıştır. İkinci durumda kullanılan denetleyici mimarisi, ilk durumunkine göre farklılıklar içermektedir. İkinci durumda, haptik robot ile sanal çevre bir birlerine sanal bağlayıcı yardımı ile bağlanmıştır. Sanal bağlayıcı, tampon bölge gibi davranmaktadır. İkinci yöntem, karmaşık sanal çevre modelleri ile çalışmak için daha uygun bir denetim mimarisidir, çünkü haptik sistem ve sanal bağlayıcının pasifliğinin sağlandığı durumlarda pasif insan ve sanal çevre için pasif bir toplam haptik sistem elde edilebilmektedir. Kesir dereceli haptik sistemin kararlılık karakterizasyonundan yapıldıktan sonra haptik sistemin şeffaflık başarımı incelenmiştir. Bu analizde efektif empedans analizi yöntemi kullanılmıştır. Bu yöntem, kapalı döngü haptik sistemin empedans aktarım işlevini reel ve karmaşık parçalarına ayırmakta ve bu şekilde kesir dereceli denetleyicinin gerçeklenen esnemeye ve sönümlemeye olan katkıları incelemektedir. Son olarak, teorik sonuçlarımızı, yeni bir haptik gerçekleme örneğinde kullandık. Bu haptik uygulamada viskoelastik malzeme özelliğine sahip olan insan prostatı gerçeklenmiştir. İnsan prostatı için kesir dereceli mateatiksel model bulunmaktadır. Bu model, prostatın sergilediği geçmişe dayalı hareketleri doğru olarak modelleyebilmektedir. Bu geçmişe dayalı hareketler stres rahatlaması ve sünme etkisidir. Gerçeklemede, haptik sistemde gözlenen stres rahatlaması, gerçek dokunun deneysel sonuçlarıyla karşılaştırılmıştır ve gerçeklemenin başarımı gözlenmiştir.

Özet (Çeviri)

Fractional order (FO) calculus—a generalization of the traditional calculus to arbitrary order differointegration-is an effective mathematical tool that broadens the modeling boundaries of the familiar integer order calculus. The effectiveness of this remarkable mathematical tool has been observed in many practical applications. For instance, FO models enable faithful representation of viscoelastic materials that exhibit frequency dependent stiffness and damping characteristics within a single mechanical element. In this dissertation, we propose and analyze the use of FO controllers in haptic systems and provide a systematic analysis of this new control method in the light of the fundamental trade-off between the stability robustness and the transparency performance. FO controllers provide a promising generalization that allows one to better shape the frequency response of a system to achieve more favorable robustness and performance characteristics. In particular, the use of FO calculus in systems and control applications provides the user with an extra design variable, the order of differointegration, which can be tuned to improve the desired behavior of the overall system. We introduce a generalized FO nondimensionalized sampled-data model for the haptic system and study its frequency dependent behaviour. Then, we analyze the stability of this system with and without a human operator in the loop. Moreover, we experimentally verify the stability analysis and demonstrate that the experiments capture the essence of the stability behaviour between different differentiation orders. The passivity analysis is conducted for two cases: the first approach takes the environment model into account and ensures the passivity of the haptic system together with the virtual environment, while the second approach assumes the presence of a passive environment model in the control loop and introduces a controller to the closed-loop system that acts like a buffer between the haptic display and the virtual environment. The second approach is more suitable for complex environments as it investigates the passivity properties of the two-port haptic system together with a virtual coupler. After characterizing the stability boundaries for the FO haptic system, we analyse the performance of the system by studying the transparency performance of the haptic rendering with such controllers. In particular, we employ effective impedance analysis to decompose the closed-loop impedance of a haptic system into its parts and study the contribution of FO elements on the stiffness and damping rendering characteristics of the system. Finally, we apply the theoretical results to a novel haptic rendering scenario: haptic rendering of viscoelastic materials. A fractional order mathematical model for the human prostate tissue with history depended stress and deflection behavior, is chosen as the viscoelastic physical system to be rendered. The stress relaxation of the haptic rendering is verified against the experimental data, indicating a high fidelity rendering.

Benzer Tezler

Tez No
374748
Deforme olabilen yüzeylerle gerçekçi haptik etkileşim
Realistic haptic interaction with deformable surfaces
SEZCAN YILMAZ
Doktora
Türkçe
2014
Bilgisayar Mühendisliği Bilimleri-Bilgisayar ve Kontrol Eskişehir Osmangazi Üniversitesi
Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. NACİ ZAFER
Tez No
544360
Contact mechanics for electrovibration
Elektrotitreşim için kontak mekaniği
ÖMER ŞİRİN
Doktora
İngilizce
2019
Makine Mühendisliği Koç Üniversitesi
Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. ÇAĞATAY BAŞDOĞAN
Tez No
389477
Optimal exoskeleton design and effective human-in-the-loop control frameworks for rehabilitation robotics
Rehabilitasyon robotları için optimal dış-iskelet ve etkin insan etkileşimli kontrol çatıları tasarımı
AHMETCAN ERDOĞAN
Doktora
İngilizce
2014
Fizyoterapi ve Rehabilitasyon Sabancı Üniversitesi
Mekatronik Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. VOLKAN PATOĞLU
Tez No
637043
Üç fazlı gerilim kaynaklı da/aa eviriciler için kesir dereceli kontrol sistemi tasarımı
Design of fractional-order control systems for three-phase voltage source DC/AC inverter
OZAN GÜL
Doktora
Türkçe
2020
Elektrik ve Elektronik Mühendisliği İnönü Üniversitesi
Elektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. NUSRET TAN
Tez No
516176
Kesir dereceli kontrol sistemlerinde zaman cevaplarının hesaplanması ve kontrol uygulamaları
Time response computations of fractional order control systems and control applications
ALİ YÜCE
Doktora
Türkçe
2018
Elektrik ve Elektronik Mühendisliği İnönü Üniversitesi
Elektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. NUSRET TAN

Geri Dön